Pourquoi la cristallographie est devenue incontournable

80% de la matière est de forme cristalline.

Dominique Luneau est responsable du Laboratoire des Multimatériaux et interfaces à l’Université Claude Bernard Lyon 1 et correspondant régional pour l’Année internationale de la cristallographie, nous éclaire sur cette science méconnue qui est aussi une technique d’exploration de la matière.

La cristallographie, qu’est-ce que c’est ?

Dans sa forme originelle, c’est une science minéralogique. A partir du XXe siècle, elle est progressivement devenue une science de la matière, plus exactement de la structure de la matière. Aujourd’hui, c’est également une technique permettant d’établir la structure atomique d’une molécule à travers ce que l’on appelle un “cliché de diffraction”. A ce titre, la cristallographie touche tous les domaines scientifiques.

De quelle manière ?

Un cristal, c’est un élément dont la structure est périodique et organisée symétriquement : suivant cette définition, plus de 80% de la matière est de forme cristalline ! La technique de la cristallogenèse est aujourd’hui bien maîtrisée et permet de “faire pousser” des cristaux en laboratoire à partir d’éléments divers, substances minérales, molécules organiques ou protéines. En étudiant ces cristaux, on obtient une analyse de la composition atomique de l’élément étudié. C’est de cette manière que la structure de l’ADN, par exemple, a été mise à jour.

Comment s’y prend-on pour établir une structure moléculaire à partir d’un cristal ?

Par la diffraction, qui est utilisée depuis les années 1920 mais s’est réellement généralisée avec l’informatique. Pour comprendre le principe, il faut se souvenir que la géométrie du cristal vient de sa géométrie à l’échelle microscopique, c’est-à-dire moléculaire. Les cristaux présentent des traits communs (ils sont tous des faces, des angles) mais un quartz sera toujours différent d’un diamant et tous les quartz auront la même structure.

Partant de ce constat, si on fait passer un rayon X à travers un quartz, le faisceau lumineux se disperse dans des directions spécifiques en fonction de sa géométrie interne. Par la mesure des angles et de l’intensité des rayons réfractés, il est possible de déterminer la position moyenne des atomes dans le cristal, ainsi que leurs liaisons chimiques, leur entropie (organisation) et d’autres informations. C’est le fameux “cliché de diffraction” dont l’usage s’est généralisé. On doit d’ailleurs en partie cette avancée à un savant lyonnais, Auguste Bravais.

Pourquoi cette technique s’est-elle généralisée ?

Ce n’est pas seulement la technique qui s’est généralisée, mais le principe. Par exemple en pharmacie : quand on veut breveter un principe actif, ce qu’on dépose est en fait le cliché de diffraction du principe actif. Le même objet, s’il est cristallisé différemment, donnera lieu à un brevet différent : le composé de l’aspirine existe ainsi sous différentes structures. La cristallographie est donc centrale dans le drug design, c’est-à-dire l’ensemble des procédés de conception d’un médicament. Toute la recherche en nouveaux matériaux s’appuie également sur cette connaissance des structures moléculaires.

A votre avis, pourquoi la cristallographie est-elle mise à l’honneur cette année ?

Pour plein de raisons ! Le récent prix Nobel de chimie décerné à Dan Shechtman pour ses travaux sur les quasi-cristaux (2011) a changé notre conception de la cristallographie. C’est vraiment une science en plein boom, avec la biologie comme nouvelle frontière. C’est une science interdisciplinaire, difficile à enseigner et pourtant essentielle. Et des avancées se préparent du côté des grands équipements : on construit des synchrotrons jusqu’en Jordanie, on s’équipe en lasers à rayons X… A mon avis, c’est vraiment le domaine à surveiller pour la décennie à venir.